5

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Sekam dan Karakterisasinya

Sekam padi merupakan bahan baku terbesar penghasil silika yang diaplikasikan

ebagai bahan baku keramik. Keramik adalah material anorganik non logam yang

terdiri dari unsur-unsur logam yang berikatan secara bersama-sama melalui ikatan

ikonik dan ikatan kovalen.

Proses pembuatan keramik dapat dilakukan dengan berbagai teknik, salah satu

diantaranya adalah teknik reaksi padatan. Metode ini memerlukan proses sintering

dalam suhu tinggi. Proses sintering dalam suhu tinggi disini dimaksudkan agar

terjadi proses perubahan struktur mikro sepertib perubahan ukuran pori,

pertumbuhan butir (grain growth), peningkatan densitas, dan penyusutan massa.

Proses sintering terjadi secara bertahap (Randall, 1991).

Proses sintesis keramik kalsium silikat yaitu mencampurkan bubuk abu sekam

padi dan kalsium dengan cara menggerusnya selama 1 jam. Kemudian sampel

dibentuk pellet dengan menggunakan hydraulic press. Penggunaan 10 % abu

sekam padi dapat meningkatkan kekuatan tekan concrete (Bakri, 2008).

Sekam padi merupakan lapisan keras yang meliputi kariopsis yang terdiri dari dua

bentuk daun yaitu sekam kelopak dan sekam mahkota, dimana pada proses

6

penggilingan padi, sekam akan terpisah dari butir beras dan menjadi bahan sisa

atau limbah penggilingan. Sekam tersusun dari jaringan serat-serat selulosa yang

mengandung banyak silika dalam bentuk serabut-serabut yang sangat keras

(Nuryono dan Narsito, 2009) ; (Patabang, 2012).

Sekam padi sulit untuk dinyalakan dan tidak mudah terbakar dengan api di ruang

terbuka kecuali udara ditiupkan kedalamnya. Sekam padi sangat tahan terhadap

dekomposisi jamur yang menyebabkan sekam padi sulit untuk terurai secara alami

(Anonim B, 2009). Butiran kecil dan bulu pada bagian luar epidermis juga terlihat

mengecil ukurannya. Pada abu putih sekam padi, walau sangat rapuh, tapi masih

memiliki struktur aslinya. Butiran kecil untuk sekam padi hampir menghilang,

sementara bulunya ditemukan retak. sekam padi sangat tahan terhadap

kelembaban dan dekomposisi jamur yang menyebabkan sekam padi sulit untuk

terurai secara alami (Enymia dkk, 1998).

Sekam padi memiliki masa jenis yang rendah yaitu 70-110 kg/m3, 145kg/m3

ketika bergetar atau 180 kg/m3 dalam bentuk briket atau pellet (Anonim A, 2009).

Dengan demikian untuk penyimpanan dan transportasi, sekam padi membutuhkan

volume besar, yang membuat transportasi jarak jauh menjadi tidak ekonomis.

Ketika sekam padi dibakar, kadar abu yang diperoleh adalah 17-26%, jauh lebih

tinggi daripada bahan bakar lainnya (kayu 0,2% - 2%, batubara 12,2%). Abu

sekam padi memiliki komposisi silika yang sangat tinggi dan memungkinkan

untuk dijadikan bahan baku alternatif pembuatan beberapa senyawa berbasis

silika seperti silika gel dan natrium silikat. Sekam padi memiliki nilai kalori tinggi

7

rata-rata dari 3410kkal/kg dan dapat digunakan sebagai salah satu sumber energi

terbaru (Anonim B, 2009).

B. Silika

Silika merupakan material yang tersedia di alam dan secara kuantitatif memiliki

jumlah yang melimpah. Silika berada didalam tanah berbentuk silika larut air.

Silika dapat berupa kristal maupun amorf tergantung dari suhu pembakaran

tanaman menyerap silika, dipolimerisasi dan dipresipitasi menjadi bentuk silika

amorf. Silika gel merupakan salah satu bahan anorganik yang memiliki kelebihan

sifat, yaitu memiliki kestabilan tinggi terhadap pengaruh mekanik, temperatur,

dan kondisi keasaman. Kelebihan sifat silika gel ini menyebabkan silika gel

banyak digunakan sebagai adsorben, material pendukung katalis, dan lain-lain.

Beberapa karbohidrat dan protein tanaman diketahui memiliki peran dalam

polimerisasi biosilika bentuk silika amorf. Silika merupakan material pembawa

yang menjanjikan dan cocok untuk pengembangan bahan antibakteri yang baik.

Silika terakumulasi dalam bentuk phytolite yang merupakan bentuk primer dari

silika amorf (SiO2 dengan 5-15% H2O) (Sisman et al, 2011). Berbagai jenis

tanaman baik dikotil maupun monokotil memproduksi phytolite. Jenis tanaman

dikotil yang memproduksi phytolite diantaranya Mytaceae, Causarinaceae,

Proteaceae, Xantorhoceae, dan Mimosceae. Jenis tanaman monokotil yang

memproduksi phytolite adalah Equistaceae dan Gramineae. Secara teoritis, unsur

silika mempunyai sifat menambah kekuatan lentur bahan baku keramik dan

kekuatan produk keramik (Astuti dkk, 2012).

8

Silika gel dapat disintesis dengan metode sol-gel menggunakan prekursor silikon

alkoksida atau larutan silikat (Nuryono dan Narsito, 2009). Porositas silika

memberikan luas permukaan yang besar dalam partikel silika untuk aplikasi kimia

dan fisika (El-Nahhal et al, 2007). Silika gel merupakan material kimia yang

dapat digunakan sebagai absorben dan material pembawa yang dapat membawa

gugus-gugus tertentu misalnya ion-ion logam ke dalam matriksnya dan sebagai

slow release agent yang dapat melepaskan ion-ion logam yang semula berada

didalam menjadi keluar matriks secara sedikit demi sedikit. Silika merupakan

material yang sangat menjanjikan sebagai material pembawa dalam aplikasi bahan

antibakteri. Beberapa penelitian sebelumnya, telah mengembangkan ion logam

seperti Ag(I) ke dalam beberapa material pembawa sebagai material antibakteri

antara lain; Ag/Al2O3- Montmorilonit (Rositaningsih, 2006), namun ion Ag(I)

memiliki toksisitas yang tinggi terhadap tubuh, sehingga kurang dapat

diaplikasikan sebagai bahan antibakteri bagi manusia. Ag juga memiliki

kelemahan berupa sifatnya yang tidak stabil (Liu et al, 2006).

C. Keramik

Keramik adalah material non metal dan pada umumnya keramik taham terhadap

temperatur yang tinggi, kekerasan yang sangat tinggi, massa jenis yang rendah,

dan mempunyai konduktivitas termal yang rendah daripada logam. Penguatan

bahan keramik terjadi karena adanya pengisian ruang kosong yang ditinggalkan

akibat penguapan dari proses pembakaran bubuk silika hingga produk menjadi

lebih rapat. Keramik dibentuk dari pasir dan tanah liat seperti batu bata, gerabah

dan benda seni lainnya. Sekarang ini struktur keramik lebih baik dari yang

9

tradisional, yaitu dibuat semurni mungkin yang tahan terhadap temperatur tinggi

dan mempunyai struktur yang tangguh. Dibidang sains dan teknologi, keramik

sangatlah penting seperti dibidang komunikasi, material ini digunakan sebagai

filter dan resonator. Dibidang kesehatan, keramik digunakan untuk perbaikan,

reskontruksi dan penggantian bagian tulang dan gigi serta bagian lembut (tissue)

dari tubuh, yang sekarang ini sangatlah mungkin dikembangkan menjadi bio-

keramik. Pada proses pembakaran bahan baku keramik yang terdiri dari lempung,

kapur dan pasir, silika dari pasir berfungsi sebagai penguat bahan keramik dimana

pada kondisi temperatur titik leburnya silika akan mengisi ruang kosong (pori)

yang dibentuk antara partikel tanah liat dan mineral akibat adanya penguapan air

dan bahan lainnya (Enymia dkk, 1998).

D. Metode Leaching

Pelarutan terarah dari satu atau lebih senyawa dari suatu campuran padatan

dengan cara mencampurkan dengan pelarut cair disebut dengan metode leaching.

Metode leaching tersebut memiliki 3 variabel penting, yaitu temperatur, area

kontak dan jenis pelarut. Pelarut akan melarutkan sebagian bahan padatan

sehingga bahan terlarut yang diinginkan dapat diperoleh. Konsep leaching sangat

penting untuk dipahami mengenai kesetimbangan fasa padat-cair.

Teknologi leaching biasanya digunakan oleh industri logam untuk memisahkan

material dari biji dan batuan (ores). Pelarut asam akan membuat garam logam

terlarut seperti leaching Cu dengan medium H2SO4 atau NH3. Contoh operasi ini

adalah pemisahan emas dari bentuk padatan berongga dengan menggunakan

10

larutan HCL atau H2SO4. Industri gula juga menggunakan prinsip leaching saat

memisahkan gula dari bit dengan menggunakan air sebagai pelarut. Industri

minyak goreng menggunakan prinsip operasi ini saat memisahkan minyak dari

kedelai, kacang, biji matahari dan lain-lain dengan menggunakan pelarut organik

seperti heksana, aseton, atau eter (Yusuf, 2012).

E. Asam Sitrat

Wehner (1893) pertama kali menemukan produksi asam sitrat sebagai hasil

sampingan pada fermentasi produksi asam oksalat dengan menggunakan

Penicilium glaucum. Asam sitrat (C6H8O7) banyak digunakan dalam industri

terutama industri makanan, minuman, dan obat-obatan. Kurang lebih 60% dari

total produksi asam sitrat digunakan dalam industri makanan, dan 30% digunakan

dalam industri farmasi, sedangkan sisanya digunakan dalam industri pemacu rasa

dan aroma, sebagai antioksidan, pengatur pH dan sebagai pemberi kesan rasa

dingin. Dalam industri makanan dan kembang gula, asam sitrat digunakan sebagai

pemacu rasa, penginversi sukrosa, penghasil warna gelap dan penghelat ion

logam. Dalam industri farmasi asam sitrat digunakan sebagai pelarut dan

pembangkit aroma, sedangkan pada industri kosmetik digunakan sebagai

antioksidan (Bizri and Wahem, 1994).

Asam organik lemah yang ditemukan pada daun dan buah tumbuhan genus Citrus

(jeruk-jerukan) sering dikenal dengan asam sitrat. Senyawa ini merupakan

bahan pengawet yang baik dan alami, selain digunakan sebagai penambah rasa

masam pada makanan dan minuman ringan. Dalam biokimia, asam sitrat dikenal

11

sebagai senyawa antara dalam siklus asam sitrat yang terjadi didalam

mitokondria, yang penting dalam metabolisme makhluk hidup.

Didalam mitokondria, yang penting dalam metabolisme makhluk hidup. Zat ini

juga dapat digunakan sebagai zat pembersih yang ramah lingkungan dan

sebagai antioksidan. Bentuk kristal atau serbuk putih yang merupakan senyawa

intermedier dari asam organik. Asam sitrat mudah larut dalam air, spritus, dan

etanol. Asam sitrat ini meleleh dan kemudian terurai yang selanjutnya terbakar

sampai menjadi arang.

Dalam biokimia, asam sitrat dikenal sebagai senyawa antara dalam siklus asam

sitrat yang terjadi didalam mitokondria, yang penting dalam metabolisme

makhluk hidup. Zat tersebut digunakan sebagai zat pembersih yang ramah

lingkungan dan sebagai antioksidan (Mefert, 1984). Gambar 2.1 dibawah ini

merupakan gambar serbuk dari asam sitrat.

Gambar 2.1 Asam Sitrat (Reni, 2014).

12

F. Sintering

Sintering adalah suatu proses yang meliputi pembakaran (pemanasan pada

temperatur tinggi) yang secara global menurunkan energi bebas disertai perubahan

dimensional. Dalam proses ini terjadi kenaikan kohesi antara partikel-partikel

penyusun benda dan pemadatan melalui proses eliminasi porositas. Selama proses

diperlukan energi agar sistem dapat berubah, terjadi perubahan ukuran butir

(grain). Dalam teknik metalurgi serbuk, sintering merupakan tahapan yang

penting.

Terdapat tiga tahapan dalam sintering, yaitu tahap awal, tahap intermedier, dan

tahap akhir. Secara mikrostruktural pada keadaan awal terdapat pemuaian, belum

terjadi proses sintering dan susunan partikel tidak berubah. Selama sintering, pada

tahapan ke satu terjadi penyusunan kembali (rearrangement), yaitu sedikit

gerakan atau rotasi partikel-partikel untuk mempertinggi jumlah kontak antar

partikel dan pembentukan kaitan antar butir (neck). Dalam tahapan intermedier

(kedua), ukuran kaitan antar butir tumbuh dan porositasnya menurun dikarenakan

gerakan mendekat partikel-partikel. Pada tahapan ini mulai terjadi pertumbuhan

butir (grain growth). Dalam tahap akhir, terjadi eliminasi porositas melalui difusi

batas butir dan pertumbuhan butir. Parameter sintering diantaranya adalah

temperatur, waktu, lingkungan sintering, kecepatan pemanasan, dan kecepatan

pendinginan (Irfan, 2012).

13

G. Karekterisasi Material

Karakterisasi yang dilakukan meliputi analisis DTA/TGA, analisis gugus fungsi

menggunakan FTIR,analisis struktur enggunakan XRD,dan analisis mikrostruktur

menggunakan SEM.

1. Diffrential Thermal Analysis/Thermogravimetry (DTA/TG)

a. Pengertian DTA/TGA

DTA merupakan teknik analisis termal yang menggunakan perbedaan temperatur

sampel dan referensi untuk menganalisis perubahan sifat kimia dan fisika

(Harsanti,2010). Diffrential Thermal Analysis (DTA) berdasarkan pada perubahan

kandungan panas akibat perubahan temperatur dan tirasi termometrik. DTA/TGA

adalah suatu teknik imana suhu dari suatu sampel dibandingkan dengan material

inert. Dalam Diffrential Thermal Analysis (DTA), panas diserap atau di emisikan

oleh sistem kimia bahan yang dilakukan dengan perbandingan yang inert

(alumina, silikon, karbit atau manik kaca) karena suhu keduanya ditambahkan

dengan laju yang konstan. Dengan menggunakan DTA/TGA,material akan

dipanaskan pada suhu tinggi dan mengalami reaksi dekomposisi. Reaksi

dekomposisi dipengaruhi oleh efek spesi lain, rasio ukuran dan volume, serta

komposisi materi.

Differential Thermal Analysis (DTA), didasari pada perubahan berat akibat

pemanasan. TGA merupakan teknik pengukuran variasi massa (kehilangan massa,

emisi uap, dan penambahan massa atau fraksi gas) sampel yang mengalami

perubahan temperatur dalam lingkungan terkontrol. Teknik analisis ini dapat

digunakan untuk menentukan kemurnian sampel, gejala dekomposisi, dan kinetik

14

kimia (Suherman,2009). Metode ini mempunyai kelebihan antara lain instrument

dapat digunakan pada range suhu 190 oC sampai 1600 oC, bentuk dan volume

sampel yang fleksibe, serta dapat menentukan suhu reaksi dan suhu transisi

sampel.

b. Manfaat DTA/TGA

Adapun salah satu dari kegunaan DTA adalah untuk mengetahui perubahan yang

terjadi berupa pelepasan panas (eksoterm) dan penyerapan panas (endoterm),

dimana peristiwa ini menunjukkan adanya peristiwa yang terjadi pada bahan yang

diuji. Sedangkan TGA biasanya digunakan riset dan pengujian untuk menentukan

karakteristik material seperti polimer, untuk menentukan penurunan temperatur,

kandungan material yang diserap, komponen anorganik dan organik didalam

material,dekomposisi bahan yang mudah meledak, dan residu bahan pelarut. DTA

juga sering digunakan untuk kinetika korosi pada oksidasi temperatur tinggi

(Suherman,2009).

c. Prinsip Kerja DTA/TGA

Adapun prinsip kerja dari DTA/TGA yaitu sebagai berikut:

1. Mengukur perbedaan temperatur antara sampel dan referensi yang

dihubungkan secara berlawanan dengan termokopel (Harsanti,2010).

2. Dengan DTA/TGA material dipanaskan dengan suhu yang tinggi dan

mengalami reaksi dekomposisi dimana reaksi ini dipengaruhi oleh efek

lain,rasio ukuran, dan voulme serta komposisi materi (Hamdila,2012).

3. Prinsip analisis dari DTA ini yaitu mengukur perbedaan suhu sampel dengan

suhu acuan,dimana jika dalam pengamatan suhu acuan lebih besar daripada

15

suhu sampel maka perubahan suhu negatif,sedangkan jika suhu acuan lebih

kecil dari pada suhu sampel maka perubahan suhu positif, dan jika suhu acuan

sama dengan suhu sampel berarti tidak terjadi perubahan dan ditunjukan

berupa garis lurus (Suherman,2009).

Adapun komponen utama yang terdapat DTA/TGA yaitu pemegang sampel yang

terdiri dari termokopel, wadah sampel, furnace, program temperatur, dan sistem

perekam. Termokopel yang terdapat pada sampel uji dan perbandingan berfungsi

untuk menjamin sebuah distribusi panas yang rata (Suherman,2009).

2. Fourier Transform Infra-Red (FTIR)

a. Pengertian FTIR

Pada dasarnya Spectrofotometer Fourier Transform Infra-Red (FTIR) adalah

sama dengan Spectrofotometer Infra Red-dispersion, yang membedakannya

adalah pengembangan pada sistem optiknya sebelum berkas

sinar inframerah melewati contoh. Fourier Transform Infra-Red (FTIR)

merupakan alat untuk menganalisis suatu material secara kualitatif maupun

kuantitatif dengan memanfaatkan spektra inframerah. Teknik yang dilakukan

yaitu dengan mengumpulkan spektra inframerah sebagai pengganti pencatatan

jumlah energi yang diserap dimana frekuensi cahaya inframerah tersebut berupa

gelombang monokromatis (Anonim C, 2009). Gambar 2.2 menunjukkan

seperangkat alat FTIR.

16

Gambar 2.2 Alat FTIR (Anonim C,2009).

Teknik karakterisasi secara spektroskopi inframerah merupakan teknik yang

sesuai untuk identifikasi secara kualitatif material melalui analisis gugus fungsi

dengan cara melihat puncak serapan yang muncul dalam spektrum yang

selanjutnya puncak serapan tersebut dianalisis dan dibandingkan dngan tabel

korelasi yang ada. Puncak pada spektrum inframerah tersebut terjadi karena

penyerapan energi yang menyebabkan kenaikan dalam amplitudo getaran atom-

atom yang terikat sehingga molekul berada dalam keadaan vibrasi

bereksitasi,vibrasi tersebut menghasilkan momen dipol pembentuk puncak pada

spektrum adsorbsi inframerah (Fessenden,1986).

Daerah spektrum inframerah yang terpenting ialah yang terletak diantara 4000 dan

660 cm-1. Jalur serapan dalam spektrum terjadi akibat perubahan tenaga yang

timbul akibat getaran molekul jenis peregangan dan pembengkokan (cacat bentuk)

ikatan. Setiap atom dalam kumpulan atom didalam molekul ; berayun pada satu

titik, yaitu tarikan nukleus terhadap elektron mengimbangi penolakan nukleus

oleh nukleus, dan elektron oleh elektron. Amplitudo ayunan ini dapat ditingkatkan

dengan memberikan tenaga melalui sinar elektromagnet. Frekuensi vibrasi

dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor pertama yaitu massa atom-atom yang

17

bervibrasi, makin besar massa atom maka vibrasi makin kecil. Faktor kedua

adalah tetapan ikatan (k), makin besar nilai k maka frekuensi makin tinggi. Dalam

penjumlahan, ukuran spektrum tunggal lebih cepat untuk teknik FTIR karena

informasi pada seluruh frekuensi dikumpulkan secara simultan. Hampir semua

spektrometer inframerah modern merupakan instrumen FTIR (Indrayawati, 2010 ;

Mujiyanti dkk, 2010).

3. X-Ray Diffraction (XRD)

a. Pengertian XRD

Sinar-X terjadi jika suatu bahan ditembakkan dengan elektron dengan kecepatan

dan tegangan yang tinggi dalam suatu tabung vakum. Elektron-elektron dipercepat

yang berasal dari filamen (anoda) menumbuk target (katoda) yang berada dalam

tabung sinar-X sehingga elekton-elektron tersebut mengalami perlambatan.

Sebagian energi kinetik elektron pada filamen diserahkan pada elektron target

yang mengakibatkan ketidakstabilan elektron. Keadaan tidak stabil ini akan

kembali pada kondisi normal dalam waktu 10-8 detik sambil melepaskan energi

kinetik elektron dalam bentuk gelombang elektromagnetik dalam bentuk sinar

yang disebut sinar-X primer (Cullity,1978). Alat XRD seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 2.3 dibawah ini.

18

Gambar 2.3. Alat XRD (Anonim D, 2013).

Sinar-X merupakan bentuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang

λ=0,05–0,25 nm yang mendekati jarak antar atom kristal (Smith, 1990). Dengan

demikian, kristal dapat mendifraksikan sinar-X karena kristal tersusun atas atom-

atom dalam ruang yang teratur dapat berperan sebagai pusat–pusat penghamburan

untuk sinar-X dan panjang gelombang sinar-X sama dengan jarak antar atom

dalam kristal (Tippler, 1996). Skema terbentuknya sinar-X ditunjukkan pada

Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Skema difraksi sinar-X oleh atom dalam kristal (Cullity, 1978).

19

b. Prinsip Analisis XRD

X Ray Diffraction (XRD) digunakan untuk mengetahui fasa kristalin meliputi

transformasi struktur fasa, ukuran partikel bahan seperti keramik, komposit,

polimer, dan lain–lain. Secara umum, pola difraksi mengandung informasi tentang

simetri susunan atom, penentuan struktur bahan kristal atau amorf, orientasi

kristal serta pengukuran berbagai sifat bahan. Sifat–sifat bahan tersebut di

antaranya tegangan, vibrasi termal, dan cacat kristal (Cullity, 1992).

Prinsip analisis XRD didasarkan pada atom–atom dalam suatu struktur bahan

yang terdifraksi pada panjang gelombang tertentu pada sudut–sudut (2θ) tertentu.

Identifikasi struktur fasa yang ada pada sampel secara umum dilakukan dengan

menggunakan standar melalui data base Join Commite on Powder Diffraction

Standar, JCPDS (1996) International Centre for Diffraction Data, ICPDF (1978).

Analisis kualitatif didasarkan pada intensitas dari sampel dibandingkan atau

dicocokkan menggunakan standar internal maupun standar eksternal (Cullity,

1992).

Sinar-X yang jatuh pada kristal akan di difraksikan, artinya sinar yang sefase akan

saling menguatkan dan yang tidak sefase akan saling meniadakan atau

melemahkan (Cullity, 1992). Berkas yang terdifraksi tersebut dapat didefinisikan

sebagai suatu berkas yang tersusun dari sejumlah besar sinar–sinar terhambur

yang secara mutual saling memperkuat satu sama lain (Cullity, 1992).

Sinar-X merupakan bentuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang

λ=0,05–0,25 nm yang mendekati jarak antar atom kristal. Dengan demikian,

20

kristal dapat mendifraksikan sinar-X dikarenakan kristal tersusun atas atom-atom

dalam ruang yang teratur dapat berperan sebagai pusat-pusat penghamburan untuk

sinar-X dan panjang gelombang sinar-X sama dengan jarak antar atom dalam

kristal.

c. Mekanisme Analisis XRD

Sistem kerja difraktometer sinar-X didasarkan pada hukum Bragg yang

menjelaskan tentang pola, intensitas, dan sudut difraksi (2θ) yang berbeda–beda

pada tiap bahan. Interferensi berupa puncak–puncak sebagai hasil difraksi dimana

terjadi interaksi antara sinar-X dengan atom–atom pada bidang kristal (Cullity,

1978). Jika seberkas sinar-X dengan panjang gelombang λ diarahkan pada

permukaan kristal dengan sudut θ, maka sinar tersebut akan dihamburkan oleh

bidang atom kristal dan akan menghasilkan puncak difraksi. Besar sudut

tergantung pada panjang gelombang λ berkas sinar-X dan jarak d antar bidang.

Pada radiasi monokromatik dinyatakan bahwa difraksi secara geometris mirip

seperti refleksi. Kemudian, diturunkan hukum Bragg untuk difraksi, yang secara

matematis ditulis pada persamaan (1).

sin2d (1)

dimana panjang gelombang radiasi sinar-X, d = jarak antar bidang dalam

kristal dan sudut difraksi. Karena nilai sin maksimum adalah 1, maka

berdasarkan persamaan (1), dapat dituliskan persamaan (2).

sin2

d

n <1 (2)

21

sehingga nilai n harus kurang dari d2 . Dengan demikian kondisi untuk difraksi

pada sudut 2 yang dapat teramati yaitu pada persamaan (3).

< 2d (3)

Kebanyakan kristal nilai d adalah dalam orde 3Å atau kurang, sehingga kristal

tidak mungkin dapat mendifraksikan sinar ultraviolet dengan panjang gelombang

kira-kira 500Å (Cullity, 1978).

Secara eksperimen, hukum Bragg dapat digunakan dengan dua tahap, yaitu

dengan memakai sinar-X yang diketahui panjang gelombang λ dan dengan

mengukur sudut θ, maka dapat ditentukan pula jarak d dari berbagai bidang kristal

(Cullity, 1978).

4. Scanning Electron Microscopy (SEM)

a. Pengertian SEM

SEM pertama kali dikembangkan pada tahun 1942 dengan instrumen terdiri dari

penembak elektron (electron gun), tiga lensa elektrostatik dan kumparan pengulas

elektromagnetik yang terletak antara lensa kedua dan ketiga, serta tabung foto

multiplier untuk mendeteksi cahaya pada layar phospor. Mikroskop elektron yang

dikenal dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) adalah suatu teknik analisis

yang telah banyak digunakan untuk membantu mengatasi permasalahan analisis

struktur mikro dan morfologi yang mampu memberikan hasil analisis secara rinci

dalam berbagai material seperti keramik, komposit, dan polimer. Dengan resolusi

yang tinggi, SEM mampu memberikan informasi dalam skala atomik. SEM

dilengkapi dengan sistem pencahayaan menggunakan radiasi elektron yang

22

mempunyai daya pisah dalam ukuran 1-200 Angstrom, sehingga dapat difokuskan

dalam bentuk titik yang sangat kecil atau dengan pembesaran 1.000.000 kali.

SEM memiliki daya pisah dalam skala nano dengan kemampuan perbesaran

sekitar 500.000 kali (Sampson, 1996). Alat SEM ditunjukkan pada Gambar 2.5

dibawah ini.

Gambar 2.5. Alat SEM (Anonim D, 2015).

b. Prinsip Kerja SEM

SEM terdiri atas beberapa komponen, diantaranya sistem sumber elektron

(electron gun), sistem lensa, sistem deteksi, sistem scanning, dan sistem vacuum.

SEM menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk menghasilkan

bayangan. Berkas elektron dihasilkan dengan memanaskan menghasilkan

bayangan. Berkas elektron dihasilkan dengan memanaskan filamen, kemudian

dikumpulkan oleh lensa kondensor elektromagnetik, dan difokuskan oleh lensa

objektif. Berkas elektron menumbuk sampel menghasilkan elektron sekunder

yang dipantulkan dari sampel kemudian dideteksi dan dikuatkan oleh tabung

multiplier. SEM juga menggunakan hamburan balik elektron-elektron sekunder

23

yang dipantulkan dari sampel. Elektron-elektron sekunder mempunyai energi

yang rendah maka elektron-elektron tersebut dapat dibelokkan membentuk sudut

dan menimbulkan bayangan topografi. Elektron-elektron yang dihamburkan balik

amat peka terhadap jumlah atom, sehingga itu penting untuk menunjukkan

perbedaan pada perubahan komposisi kimia dalam sampel. Intensitas elektron

yang dihamburkan balik juga peka terhadap orientasi berkas sinar datang relatif

terhadap kristal. Efek ini mengakibatkan perbedaan orientasi antara butir satu

dengan butir yang lain adalah suatu sampel kristal yang juga memberikan

informasi kristalografi. Skematik alat SEM ditunjukkan pada Gambar2.6.

Gambar 2.6. Penembakan elektron pada SEM (Anggraeni, 2008).

Sumber elektron terdiri dari katoda yaitu filamen berbentuk V yang biasanya

terbuat dari bahan Tungsten dan Lanthanum hexabotide, yang berfungsi sebagai

penghasil elektron. Dengan aliran arus listrik bertegangan tinggi melalui filamen

akan menimbulkan perbedaan potensial hingga 1000–30.000 eV dan

menghasilkan elektron. Berkas elektron atau elektron primer selanjutnya akan

melalui celah pelindung menuju anoda setelah difokuskan oleh sebuah lensa

24

magnetik dan dua buah lensa kondenser dan sebuah lensa objektif kesuatu titik

dengan diameter 25–50 Angstrom untuk menghasilkan bayangan.

Berkas elektron primer yang datang kepermukaan sampel akan berinteraksi dan

menghasilkan berbagai macam sinyal yang terjadi secara serentak. Sinyal–sinyal

tersebut diantaranya adalah elektron, sinar–X dan foton. Interaksi elektron primer

dengan sampel tersebut mengakibatkan hamburan balik yang dibedakan atas dua

kategori, yaitu hamburan elastik dan hamburan tidak elastik. Pada saat terjadi

hamburan elastik arah kecepatan akan berubah tetapi besarnya tidak berubah,

sehingga energi yang dihasilkan tidak berubah. Dalam hal ini energi sebesar 1 eV

dipindahkan dari elektron primer ke sampel. Perpindahan energi ini relatif kecil

jika dibandingkan energi elektron primer sebesar 10KeV.

SEM memiliki dua detektor gambar, satu untuk secondary electron (SE) dan satu

untuk energi tinggi backscattered electrons (BSE) (Norton dan Carter, 2007).

Gambar dibuat berdasarkan deteksi elektron baru (elektron sekunder) atau

elektron pantul yang muncul dari permukaan sampel ketika permukaan sampel

tersebut dipindai dengan sinar elektron. Elektron sekunder atau elektron pantul

yang terdeteksi selanjutnya diperkuat sinyalnya, kemudian besar amplitudonya

ditampilkan dalam gradasi gelap-terang pada layar monitor CRT (cathode ray-

tube). Di layar CRT inilah gambar struktur obyek yang sudah diperbesar bisa

dilihat. Pada proses operasinya, SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan,

sehingga bisa digunakan untuk melihat obyek dari sudut pandang 3 dimensi. Pada

tampilan mikrograp SEM, bayangan BSE memberikan perbedaan warna daerah

berdasar nomor atom, karena setiap daerah menunjukkan perbedaan tingkat

25

kontras, daerah yang lebih terang menunjukkan bernomor atom tinggi dan daerah

yang lebih gelap menunjukkan bernomor atom rendah. SE atau elektron sekunder

merupakan elektron yang dipancarkan dari sampel akibat interaksi antara berkas

elektron primer dengan elektron–elektron sampel. Karena elektron sekunder ini

memiliki energi rendah, maka elektron–elektron tersebut dapat dibelokkan

membentuk sudut dan menimbulkan bayangan topographi (struktur permukaan)

(Fitriana, 2005).